MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.

2

A nanotechnológia építőanyag-ipari alkalmazásai – I.A nanotechnológia mint az elkövetkező évtizedek egyik legfontosabb tudományterülete, az építőanyag-ipar területén is fejlődési lehetőséget biztosít a különleges paraméterű építőanyagok kifejlesztéséhez és alkalmazásához.

Ma már mindenki számára ismertek a nano-tech no ló gia sikeres alkalmazásai a mikro-elektronika, a mikrobiológia és az anyagtudo-mányok területén. Ugyanakkor az építőipari alkalmazási eredményekről és lehetőségek-ről igen kevés információ áll rendelkezésre az iparág mérnökei és szakemberei számára. Ezt az ismeretterjesztési hiányosságot kívánja pótolni ez a cikk, számos alkalmazási példán bemutatva a nano anya gok nem mindennapos tulajdonságait és jövőbeni alkalmazási lehető-ségeiket az építőipar területén.

Nanotechnológia, korunk egyik legdinamiku-sabban fejlődő iparága. Kutatási és fejlesztési eredményei mindennapi életünk egyre szé-lesebb területeit szövik át az építő- és építő-anyag-ipar számos területén is. Mára a „nano” szó egy márkává nőtte ki magát a köztudat-

ban, így a „nano” kifejezést arra használják, hogy kiemeljék a termékek kiváló műszaki teljesítményét.A „nano” görög eredetű szó, jelentése törpe, 1 nanométer a méter egymilliárdod része. Egy hajszál vastagsága kb. 200 µm = 200 000 nm. A nanoméretű anyagokat más anyagnak kell tekinteni, mint a hétköznapi életünkben alkal-mazott makroméretűeket. Az ilyen méretű anyagok tulajdonságai elsősorban azon alap-szanak, hogy fajlagos felületük sokkal nagyobb, mint tömbi formában. Fő jellegzetes-ségük, hogy méretük csökkenésével igen jelen-tősen növekszik kémiai reakcióképességük. A nanotechnológiát az különbözteti meg az épí-tőanyag-iparban alkalmazott más eljárásoktól, hogy a nanoméret tartományban végzett tech-nológiai műveletek során, új anyagtulajdonsá-gok keletkeznek. A szerkezeti anyagok esetén például nagymértékben javulnak az anyagok mechanikai tulajdonságai.

ÖNTISZTULÓ FALFELÜLETEK

ÉS ÉPÜLETHOMLOKZATOK

A nanotechnológia építőiparban történő hasznosításának igen nagy területét fedi le a fotokatalízis elvén működő öntisztuló fal-

felületek alkalmazása. Az eljárás lényege, hogy a titándioxidot tartalmazó felületen (pl. beton, üveg) a TiO

2 fotokatalizátorként

működve, elnyeli a napfény (λ = 388 nm) UV sugárzását. Ez az energia gerjeszti a titándioxid vegyértékelektronját, létrehozva a (e¯) negatív elektront és a (h+) pozitív lyuk párt, melyek a környezetükben levő vízzel és oxigénnel reakcióba lépve, hidrogént (H+) és aktív oxigént (O

2¯) hoznak létre. További

reakciókon keresztül, hidroxil ionok (OH¯ és OH*) keletkeznek, melyek oxidációs közeg-ként működve felbontják a beton felületére lerakódott szerves anyagokat széndioxidra és vízre. Ez a folyamat mindaddig működik, amíg a fényhatás tart (1. ábra).

A nanotechnológia építőiparban már meghono-sodott alkalmazási területe az öntisztuló beton-felület, melyet fotokatalitikus tulajdonságú titándioxid tartalmú cementtel készítenek, és mint öntisztuló felületet alkalmazzák az építé-szetben. Gazdasági okokból a betonszerkezet-nek csak a külső vékony betonrétegét készítik foto kata liti kus cementtel (1. kép)

ÉPÍTŐANYAG

A NANOTECHNOLÓGIA ALKALMAZÁSI TERÜLETEI AZ ÉPÍTŐIPARBAN

1. Öntisztuló falfelületek és épülethomlokzatok

Fotokatalízis reakcióval öntisztuló beton- és üvegfelületek

Fotokatalízis reakcióval öntisztuló vakolt- és festett felületek

Öntisztuló mikrostrukturált festékfelületek (Lótusz-effektus

Falfelületek graffi ti elleni nanotechnológiás védelme

UV-sugárzás elleni védelem nanobevonatos üvegfóliával

2. Betontechnológiai alkalmazások

Nanotechnológiás beton-adalékszerek alkalmazása

Betonok vízzáróságának fokozása nano adalékanyagokkal

Betonok szilárdságának növelése nanocsövekkel

Habarcsok tulajdonságainak javítása nanotechnológiával

Nanocementtel előállított nagy teljesítőképességű betonok

3. Hatékony hőszigetelő anyagok előállítása

Grafi tadalékos expandált polisztirol (EPS) lemezek

Nanoporózus aerogél hőszigetelő anyagok

Nanotechnológiás hőszigetelő festékek és vékonybevonatok

Nanotechnológiás vákuum hőszigetelések

A fotokatalízis öntisztító hatásmechanizmusa 1. ábra

Fotokatalitikus betonból gyártott panelelemek (Misericordia-templom, Róma) 1. kép

MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.

3

FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ

FELÜLETBEVONATOK

Öntisztuló beton- és üvegfelületet eredményez a titándioxiddal való felületkezelés is, mely-nek lényege, hogy a légköri szennyeződés hatásának folyamatosan kitett épületszerkeze-tek felületét, nanovékony átlátszó titándioxid réteggel vonják be. A Titan Shield®-bevonat fény és nedvesség hatására teljesen öntisztuló felületet ad. Elsősorban a nehezen hozzáfér-hető helyeken alkalmazzák, ahol szükséges a tartósan higiénikus és tiszta felület, például műtőkben, mivel a baktériumok nem tapad-nak meg a kezelt felületen.Az építőipar számára nehéz feladatot jelent a magas középületek üvegfelületeinek folyama-tos karbantartása és tisztítása. Az üvegfelületek öntisztulóvá tehetők, titándioxidos felületkeze-léssel, melynek reakciója során keletkező aktív

oxigén (O2‾) a víz felületi feszültségét csök-

kenti, hidrofi llé téve az üvegfelületet, amin a víz cseppeket nem képezve szétfut és lemossa a szennyeződést. Ilyen fotokatalitikus és hidrofi l réteget képez a TiPE® öntisztuló nanobevonat, melynek alkalmazásával lehetővé válik a kezelt felület vízcseppmenetesen tartása, valamint az antibakteriális és penészgátló tulajdonságok mellett a folyamatos öntisztulása is.

FOTOKATALITIKUS BEVONATOK

KÖRNYEZETVÉDELMI ALKALMAZÁSA

A kipufogó gázok okozta légszennyezés csök-kentésére fotokatalitikus cementet alkalmaz-nak, mely a betonfelület öntisztítása mellett csökkenti a légszennyezés mértékét. A cement titándioxid tartalma az UV-sugárzás által akti-válva, aktív oxigénreagenst generál, mely a levegőben lévő és az egészségre veszélyes nit-rogénoxidokat (NO

x) átalakítja ártalmatlan

nitrátokká (NO3‾) (2. ábra).

Európában eredményesen alkalmazzák a légszennyezettség csökkentésére az Ercole EcoActive® márkanevű vékony védőbevo-natot, mely fotokatalízis reakciója révén elő-segíti a szerves és szervetlen szennyező anyagok lebomlását és ártalmatlanítását. A HeidelbergCement Group által gyártott TioCem® titándioxid tartalmú cement, (for-galmazója a DDC) mely fotokatalitikus hatása révén, csökkenti a légszennyezés mértékét. Felhasználási területei a beton termékek, térkő betonelemek, járdaszegélyek, hangszigetelő betonelemek és zajvédő falak.Az épületek kerámiaburkolatainak karban-tartására és öntisztítására fejlesztették ki az ActiveTM Clean Air bevonatot, mely titándio-xid (TiO

2), ezüst (Ag) és alumíniumoxid (Al

2O

3)

nanorészecskéket tartalmaz. A kerámialapokra felhordott bevonati réteg fotokatalízis reak-ciói során keletkező aktív oxigén és hidroxi-dion a kerámia felületét szuper hidrofi llé teszi, így a víz lefut a felületről, eltávolítva a szeny-nyeződést. Az öntisztuló bevonat különösen

alkalmas a szerves szennyezőanyagok lebontá-sára és a városi levegő egészségkárosító nitro-génoxid tartalmának csökkentésére. Az ezüst nanorészecskék reakciójának köszönhetően pedig, antibakteriális és gombaölő tulajdonsá-gokkal is rendelkezik.

FOTOKATALITIKUSAN ÖNTISZTULÓ

VAKOLATOK ÉS FESTETT FELÜLETEK

A nanotechnológia legújabb eredményeit is fel-használva, a Baumit kifejlesztette az öntisztuló Baumit NanoporTop vakolatot, mely egyesíti a szilikát vakolatok jó páraáteresztő képességét a fotokatalitikus öntisztulással. Az UV sugárzás és az eső tisztító hatása mellett a NanoporTop vakolat sima felülete is nehezíti a szennyeződés megtapadását a felületen, ezért állandóan tiszta és szép a vakolt falfelület (2–3. kép).

Széles a kínálat a fotokatalitikus hatású öntisztuló és baktériumölő homlokzatfes-tékekből. Ilyen termék a StoPhotosan Color homlokzatfesték, vagy a szilikongyanta alapú Caparol Amphi Silan, melynek know-how megoldása szerint, egy rendszeren belül érvényesül a titándioxid tartalmú pigmentek fotokatalitikus hatása, valamint a festékbevo-nat nanorészecskéiből képzett fraktált felüle-tet hidrofób tulajdonsága.A festékbevonat minimális a vízfelvételét nem egy tömör és vízhatlan felületi réteg adja, hanem a festék pórusszerkezete és a megfele-lően tagolt felszínének hidrofób tulajdonsága, ezért a homlokzatfesték a szilikát ásványi anyagokhoz hasonló páraáteresztő képesség-gel rendelkezik. A festékréteg fotokatalitikus hatású pigmentjei biztosítják a szerves szeny-nyeződések lebontását, a hidrofób tulajdon-ságú pórusszerkezete pedig a felületről való eltávolítását. Az öntisztuló falfesték felülete könnyen tisztítható, az ezüsttartalmú biocid hatóanyagoknak köszönhetően pedig baktéri-umölő hatással is rendelkezik (4. kép). A falfelületek higiéniája javítására fejlesztették ki a Caparol CapaSan beltéri falfestéket, vala-

ÉPÍTŐANYAG

A levegőtisztítás hatásmechanizmusa 2. ábra

Szilikon vakolat makrostrukturált (fent) és NanoporTop

vakolat mikrostrukturális (lent) felülete 2–3. kép

A festékbevonat nanoméretű részecskéinek

fraktált felülete 4. kép

Fotokatalitikus homlokzatfesték

alkalmazása Pécsen 5. kép

MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.

4

mint a StoPhotosan Color fotokatalitikus hom-lokzatfestéket, mely a fotokatalitikus hatásával a szerves szennyeződéseket lebontja és csök-kenti a baktériumok és mikroorganizmusok számát a falon és a levegőben is (5. kép).

LÓTUSZ-EFFEKTUS ELVÉN MŰKÖDŐ

ÖNTISZTULÓ FELÜLETEK

A lótuszvirág levelén megfi gyelhető „lótusz-

effektus” a mikrostrukturált, hidrofób (vízta-

szító) fraktált felületek „öntisztuló” képessége

alapján működik. A levélfelületet mikroszko-

pikus cellakiemelkedések alkotják, amelyeken

kisebb hegyes képződmények is elhelyezked-

nek szabályos elrendezésben. A kiemelkedé-

sek olyan távolságra vannak egymástól, hogy

a por- és piszokszemcsék megakadnak rajtuk,

de nem érnek a levél felületéhez (6–7. kép).

Amikor eső éri a levelet, a víz felületi feszült-

sége révén a fraktált felületen cseppeket alkot,

és könnyen lepereg, miközben magával ragadja

a por- és piszokszemcséket (3–4. ábra).

A „lótusz-effektus” elvén működő Sto Lotusan

öntisztuló festékbevonat, több rétegből épül fel.

Egy ultravékony TiO2-ot tartalmazó védőréteg-

nek köszönhető a bevonati réteg UV-állósága és

stabilitása, valamint fagy- és hőállósága. Erre

épül felszíni rétegként a nanorészecskék alkotta

fraktált felület, mely biztosítja a tapadásgátló

tulajdonságot és a hidrofób vízlepergető öntisz-

tuló hatást. A fraktált felületű bevonati réteget

vegyi úton állítják elő, ehhez kb. 100 nm átmé-

rőjű gyöngyöket gyártanak szilikátokból, majd

a gyöngyök felületére trimetoxi-fenil-szilán

folyadékot hordanak fel, mely réteg megszilár-

dulva fraktált felületet ad (5. ábra).

A Sto Lotusan és a Caparol CarboSol öntisz-

tuló homlokzatfestékeknek igen jelentős a

környezeti hatásokkal szembeni ellenállása.

A megfelelő páraáteresztő képességgel rendel-

kező festékréteg felülete kefével, de akár magas

nyomású folyadékkal is tisztítható. Alkalma-

zási területei az épülethomlokzatok, valamint

üveg- és textilfelületek képzése (8. kép).

NANOTECHNOLÓGIÁS

FELÜLETKEZELÉSEK ÉS BEVONATOK

Az anyagok tulajdonságai széles körben

módosíthatók nanoanyagú impregnálásokkal

és bevonatokkal, mely után fokozottabb ellen-

álló képességgel, UV-állósággal és öntisztuló

képességgel rendelkeznek. A leggyakrabban

használt bevonati anyagok, a nano-TiO2 és a

nagy fajlagos felületű nano-SiO2.

A Bramac Római Protector Plus betoncse-

repeket a gyártásuk utolsó fázisában, folya-

dékimpregnálással egy nanoméretű bevonati

réteggel látják el. A szárítás után a csere-

pek felületére felhordott réteg véd a savas és

lúgos kémhatás ellen, hidrofobizálva vízle-

pergető, és színtartást ad a betoncserép felü-

letének (9. kép).

A fotokatalitikus anyaggal kezelt Rollstar nap-

árnyékoló ponyvák jól tűrik a napot és az esőt,

mivel a speciális anyagszerkezetű textílián, ha

meg is tapad a szennyeződés, az nem képes

behatolni a szövet elemi szálai közé, és az eső

egyszerűen lemossa azt a felületről.

A porózus burkolóanyagok Höpner homlokzati

impregnáló anyaggal kezelve, úgy válnak víz-

taszítóvá, hogy a falszerkezet megtartja pára-

áteresztő képességét. Az impregnáló anyag,

nanoméretű szilícium alapú vegyület.

NANOTECHNOLÓGIÁS

ANTIGRAFFITI BEVONATOK

Nem kis feladatot jelent az építőipar számára

az építmények falfelületén kéretlenül meg-

ÉPÍTŐANYAG

A Sto Lotusan festékréteg felületének

fraktált struktúrája 5. ábraA lótuszlevél felületi struktúrája a cellakiemelkedésekkel (balra), és szennyeződés a cellakiemelkedéseken (jobbra) 6–7. kép

Szennyeződés eltávolítása a felületről (balra), öntisztulás, vízlepergető hatással (jobbra) 3–4. ábra

Felületkezelt tetőcserepek 9. kép

Graffi ti „alkotás” a falfelületen 10. kép

MAGYAR ÉPÍTÉSTECHNIKA 2012/1.

5

jelenő graffi tik eltávolítása, illetve e „művé-

szi” alkotások létesítésének megakadályozása.

Számos antigraffi ti módszer létezik, melyek-

nek egy csoportja csak ideiglenes megol-

dást ad. Ezek az „áldozati” típusúak, például

a paraffi n bevonat, melyet a graffi tival együtt

eltávolítanak, majd újra felhordják a védendő

falfelületre. Az állandó és tartós antigraffi ti

bevonatok megakadályozzák a graffi ti tapadá-

sát a falfelületre. Ezeket csak egyszer kell fel-

hordani, és a festék a felületre nem kötődik,

oldószerrel eltávolítható (10. kép).

A fl uorozott szénhidrogén antigraffi ti nano-be vo nat működése azon alapszik, hogy a felü-letre felhordott fl uor, mint elektronegatív elem, csökkenti a bevonat felületi energiáját és kap-csolatot a grafi ti festékkel. Taszítja a festéket, mint a tefl onbevonat a vizet és az olajt.A szilicium alapú sziloxán antigraffi ti nano-be vo nat működése azon alapszik, hogy a fal-felületre sziloxán réteget visznek fel, mely-nek felszínén a kolloidális oldatban bevitt nano méretű szilika részecskék hidrofóbbá (víztaszító) és oleofóbbá (olajtaszítóvá) teszik a bevonat felszínét. Sem a vizes-, sem az ola-jos alapú festékekkel nem festhető a sziloxán bevonati réteg (11–12. kép).

A poliuretán antigraffi ti védelem, egy oldószer-mentes térhálósított Emcephob NanoPerm poli-

uretán bevonati réteg, melynek térhálósodása nanoanyagok adagolásával történik, létrehozva a víz- és olajtaszító falfelületet. A tömörfelületű polimer, nem fogadja be a festéket, a kezelt fal-felület víz- és szennyeződéstaszítóvá, valamint UV fény és időjárásállóvá válik (13. kép).

NANOTECHNOLÓGIÁVAL KEZELT

ÜVEGFELÜLETEK

A napfény, bőrünk barnításáért is felelős ult-raibolya (UV) sugarai egyre agresszívebben károsítják a bőrszöveteinket. Az üvegfelü-letek mögötti anyagok kifakulnak, a beren-dezések pedig károsodnak a nagyenergiájú UV-sugaraktól. A SolarGuard® UV-védő fóli-ával bevont üveg, az ultraibolya sugárzás 99 százalékát kiszűri, így a lakásberendezések és kárpitok nem fakulnak ki. A fóliára egy spe-ciális katódporlasztásos „Sputter Coating” eljárással, több rétegben, d < 400 nm őszvas-tagságú, Ti és Cu atomokból álló fémréteget ágyaznak be, mely bevonattal szabályozható a fényáteresztés – anélkül, hogy a látható fényt kizárnák (6. ábra).

A poliészter fóliára több rétegben felhor-dott (sputterezett) 200÷400 nm vastagságú (Ti és Cu) fémréteg bevonat, a látható fény akadálytalan átengedése mellett, hatásosan csillapítja a nagyfrekvenciás UV-sugárzást. A védőfólia szűrőhatása, a refl exió árnyéko-lási elvén alapszik (7. ábra).A nano vastagságú titánfém rétegben leját-szódó interferencia jelenségek, a fémtükrökre jellemző „csapdázódással”, csökkentik az UV sugárzás intenzitását. A védőfóliára felhordott fém nanoréteg paraméterei (pl. vastagsága < 400 nm) az UV sugárzás λ < 388 nm hul-lámhosszára van hangolva (szelektív szűrés), de a szűrőrendszer más hullámhosszra is han-golható. A speciális nanoréteggel bevont üvegfelüle-tek alkalmazásával, olyan fény-árnyék hatá-sok hozhatók létre, amelyeknek köszönhetően csökkenthető az épületek energiaköltsége. Az üvegfelületekre nanorétegben felhordott fényvezető részecskékkel pedig a napfény azonnal villamos energiává alakítható. Érdekes optikai hatást kínálnak azok az üve-gek, amelyek vékony fémoxid rétegük segít-ségével vezetik az áramot. Ezek felületén apró világítódiódák helyezhetők el, amelyek a szemnek szinte láthatatlan módon, kisfe-szültséggel üzemeltethetők, s akár számító-géppel vezérelhetők.

szerző

ÉPÍTŐANYAG

Felhasznált irodalomNanotechnológia. (Dr. Mojzes Imre – Molnár László Milán) Budapest, 2007, Műegyetemi Kiadó.

Nanotechnológiák az európai építőiparban. Vezetői összefoglaló. (F. A. van Broekhuizen – J. C. van Broekhuizen) State of the art 2009, Amszterdam.

TiO2 Photocatalysis: A Historical Overview

and Future Prospects. (Kazuhito Hashimoto; Hiroshi Irie) Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 44.

Lotusan mit Lotus-Effekt. (Jürgen Angermeier Sto) termékismertető előadás pps.

A termékeket gyártó cégek internetes hon-lapjai és termékismertetői.

Graffi ti eltávolítása (balra), Graffi ti eltávolítása vízsugárral (jobbra) 11–12. kép

Graffi ti eltávolítása a falfelületről 13. kép

Molekuláris vastagságú fémréteg

beágyazása a fóliába 6. ábra

Az UV-sugárzás refl exiója a védőfólia

titánfém rétegén 7. ábra

Esztétikus és díszítő üvegfelületek

építészeti alkalmazása 13. kép